[发明专利]基于近似模型技术的复合泡沫塑料界面相力学测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料领域的力学参数测试方法，具体是一种基于近似模型技术的复合泡沫塑料界面相力学测试方法。 

背景技术

在复合材料的生产制备过程中，由于复杂的热效应、化学效应、结晶效应，在基体与增强相之间会形成一层界面，也称为界面相或界面层。界面相无论在化学组成上还是在力学性能上都与组分材料（基体、增强相）有着明显的差别。随着复合材料力学的快速发展，人们越来越清楚的认识到复合材料的性能除与基体和增强相密切相关外，界面也起着至关重要的作用。复合材料的力学性能并不是其组分材料的简单加和，而是产生了“1+1>2”的协同效应。究其原因，是因为界面相的微观结构和性能特征对复合材料的宏观性能产生了直接的影响。 

经过对现有技术文献的检索发现，目前科学界和工程界对复合材料界面相的研究主要包括两个途径。一是通过实验手段，如纳米压痕、单丝拉伸等来测量界面相的结构特征和力学参数；另一种则是通过细观力学的方法对界面相进行数值建模。 

A.Hodzic等在期刊《Micron》2001年第32期中，采用了纳米压痕和纳米划痕的实验手段来测量玻璃纤维增强复合材料的界面相性能，包括界面厚度，界面刚度，界面应力分布等。 

TTL.Doan等在期刊《Composites Science and Technology》2012年第72期中，通过对天然黄麻纤维进行表面处理，提高了该种纤维增强的环氧基复合材料的界面粘接性能，并采用单丝拉伸结合扫描电镜的实验手段测量了复合材料的界面强度，揭示了该材料的界面失效机理。 

M.Yu等在期刊《Computational Materials Science》2012年第61期中，对复合泡沫塑料的界面相进行了有限元建模，并基于计算细观力学理论，预测了复合泡沫塑料的宏观弹性性能，研究结果指出界面相的力学性能对复合泡沫塑料的宏观力学性能有直接影响，忽略界面效应的预测结果远高于实验值。 

相较于组分材料的力学性能，界面相的力学性能很难通过实验手段来测量。现有的实验方法（单丝拉伸、纳米压痕等）往往只适用于纤维增强的复合材料。对于复合泡沫塑料这种由空心球形颗粒填充的复合材料，目前几乎没有实验方法适用于测量其界面性质。因此，在对复合泡沫塑料宏观力学性能进行预测的研究中，界面相的力学模型缺乏准确可靠的界面参数支撑，最终导致预测结果与实际值之间存在较大偏差。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于近似模型技术的复合泡沫塑料界面相力学测试方法，通过数值手段识别出复合泡沫塑料界面相的基本力学参数，克服该种类型材料无法通过实验手段直接获取界面性能的障碍，提高界面相建模的精度，并为精确预测该类材料的宏观力学性能奠定基础。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤： 

步骤一、通过实验测量复合泡沫塑料的宏观力学性能，具体为：分别制备不同微珠体积含量的复合泡沫塑料，并对其进行准静态下的单向拉伸实验，根据拉伸曲线确定材料的两个基本弹性常数，即杨氏模量E_c和泊松比ν_c。 

步骤二、界面相细观力学建模，具体为：基于内聚力单元理论对复合泡沫塑料的界面相进行细观有限元建模。 

步骤三、复合泡沫塑料细观有限元建模，具体为：根据细观力学理论，选用三维立方单胞体作为复合泡沫塑料的代表性体积单元，为了考虑界面效应，将复合泡沫塑料视为由基体、微珠颗粒和界面相组成的三相材料，将步骤二中建立的界面相力学模型引入到单胞体中，使其位于基体与微珠之间，以此来模拟界面相的力学行为。然后利用有限元软件ABAQUS对单胞模型进行六面体网格划分。 

步骤四、复合泡沫塑料弹性性能有限元仿真计算，具体为：利用ABAQUS-Standard求解器来计算模拟材料在单向拉伸载荷下的弹性响应。基于仿真结果通过计算细观力学均匀化方法来获取复合泡沫塑料的宏观杨氏模量和泊松比； 

步骤五、建立复合泡沫塑料宏观弹性响应的Kriging近似模型，具体为：根据步骤二中建立的界面相细观力学模型，选取界面相的力学参数作为输入变量进行试验设计；采用拉丁超立方采样准则生成一定数量的设计样本点，包括训练样本和测试样本；利用步骤三中建立的复合泡沫塑料细观有限元模型对每个样本点进行如步骤四所述的有限元仿真计算，获得各样本的输出响应状态；根据样本计算结果，建立复合泡沫塑料宏观弹性响应的Kriging近似模型；